适合中国风资源特点的风电叶片设计技术

(1) 关键技术研发

中科院工程热物理所立足于中国特殊的风资源环境,提出了采用气动性能优良的厚翼型增加细长叶片中部厚度来提高叶片结构特性降低载荷的思想,从翼型设计、叶片设计,以及流动控制等方面进行了系统深入的研究,实现了大型长叶片减重、降载、增效以及对我国资源环境适应能力的提高,设计开发了相应的叶片产品,并进行了产业化应用与推广。

从叶片各展向位置不同厚度翼型对叶片出功以及载荷贡献的权重出发,发现了提高叶中以及叶尖翼型的最大升阻比能够使风轮功率系数增加,同时限制此处翼型的最大升力系数能够降低叶片载荷的规律,采用正反问题迭代的方法进行全新的翼型设计,得到了CAS-W1系列翼型族。特别是开发的45%、50%、55%、60%厚度的大厚度翼型,具有较高翼型升阻比、较高翼型几何惯性距以及较低前缘粗糙敏感性,填补了国内空白,为应用于我国的中部低风速区以及东部沿海台风区打下了良好基础。

同时,提出了一种新的极限载荷预测模型,得到了影响叶片极限载荷的关键因素,并简化了叶片极限载荷的预测计算方法,提高了叶片设计效率。以此为基础,开发了极限载荷条件下的叶片单目标和多目标优化设计算法,编制了相关程序。在增加风能捕获同时有效地控制了载荷,解决了扫风面积增大导致载荷增大的这一技术难题。



(2) 社会效益和经济效益

通过与保定华翼风电叶片研究开发有限公司以及中科宇能科技发展有限公司合作,实现了技术成果的转化。目前为止,该叶片设计技术已被应用于多种型号叶片的设计中,其中1.5MW-38m、1.5MW-40.3m、1.5MW-42.8m、2.5MW-52.3m等叶片已实现批量化生产,为企业本身带来了巨大的经济效益,其中中科宇能科技发展有限公司在2010-2015年间实现总产值约8.5亿元,销售总收入约8.1亿元。该技术的使用也提升了其行业竞争力和影响力。例如,采用成果中的优化设计技术减重设计的1.5MW-40.3m叶片比原叶片单支减重约250kg,每套节省生产成本2万多元。特别是利用本成果设计的1.5MW-42.8m低风速叶片,已经完成了向德国NORDEX(北京)风力发电工程技术有限公司的技术转让,实现了国内风电叶片自主设计技术首次对外输出,表明了该研究成果得到了国际同行的认可。此外,本成果提高了我国系列化叶片的自主设计能力,推动了我国风电行业的技术进步。叶片生产线投入运行后,大大增强了相应叶片生产企业的竞争能力和发展活力,解决就业人口2200余人,取得了良好的社会效益。该成果的取得,也造就了一批高水平的风电叶片设计人才,为整个风电行业的持续进步提供了智力支持。